NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH Giáo viên hướng dẫn : TS ĐẶNG THÁI VIỆT Giáo viên duyệt : TS NGUYỄN ANH TUẤN Sinh viên thực : NGUYỄN TRUNG NGHĨA HÀ NỘI, 8/2017 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên: Họ tên Sinh viên: Nguyễn Trung Nghĩa Lớp : CN Cơ điện tử 02 Khóa : K58 Nhiệm vụ thực hiện: - Thiết kế mơ hình nhà thơng minh - Thiết kế hệ thống giám sát cảnh báo qua việc sử dụng module cảm biến board mạch Arduino Nội dung yêu cầu: - Thiết kế mơ hình với thiết bị có khả điều khiển tự động, tương tác với có chức giám sát từ xa, đảm bảo an ninh bảo mật Trưởng môn Cán hướng dẫn Sinh viên thực (ký ghi rõ họ tên) (ký ghi rõ họ tên) (ký ghi rõ họ tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… - ĐIỂM HƯỚNG DẪN:…………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Ngày tháng năm 2017 Giáo viên hướng dẫn (ký tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT Ngày tháng năm 2017 Giáo viên duyệt (ký tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 12 Tổng quan nhà thông minh 12 1.1 Bối cảnh nhu cầu sử dụng nhà thông minh .12 1.2 Các mơ hình nhà thơng minh áp dụng 13 Lựa chọn hướng thiết kế 16 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH 18 Các modul thiết bị sử dụng mơ hình chức 18 1.1 Phòng khách 18 1.2 Phòng ngủ 18 1.3 Phịng giải trí/xem phim 19 1.4 Phòng bếp 19 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 20 Hệ thống điện tử 20 Sơ đồ mạch điện hệ thống 21 Giới thiệu modul Arduino 22 4.1 Giới thiệu chung 22 4.2 Arduino Uno 23 4.3 Arduino Ethernet W5100 .26 4.4 Arduino Mega 2560 .28 4.5 Một số ứng dụng Arduino .32 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH 33 Sơ đồ mạch điều khiển thiết bị cảm biến .33 2.Tổng quan cảm biến sử dụng hệ thống giám sát, cảnh báo 33 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 .33 2.2 Cảm biến khí gas MQ2 34 2.3 Cảm biến chuyển động HC-SR510 37 Nguyên lý hoạt động hệ thống giám sát .40 3.1 Lưu đồ thuật toán 40 3.2 Hệ thống báo cháy hoạt động dựa cảm biến nhiệt độ LM35 40 3.3 Hệ thống báo rò rỉ khí gas 44 3.4 Hệ thống cảnh báo xâm nhập 45 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET 49 Mạng internet(Ethernet) .49 Địa IP .51 Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển qua internet 52 Thư viện Ethernet cho Arduino 53 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 54 Mơ hình thực tế 54 Giao diện giám sát điều khiển 55 Kết điều khiển số thiết bị .56 3.1 Báo có xâm nhập trái phép 56 3.2 Giám sát nhiệt độ phòng khách phòng ngủ .56 Kết đạt 58 KẾT LUẬN 59 Kết đạt đồ án 59 Hướng phát triển đề tài 59 PHỤ LỤC 60 CODE HOẠT ĐỘNG 60 Phòng bếp 60 Phòng ngủ(cảm biến nhiệt độ hiển thị lên lcd) 65 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tài liệu tham khảo 76 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình tổng qt nhà thơng minh……………………………… 13 Hình 1.2 Mơ hình smart home cơng ty Compro Technology………… 13 Hình 1.3 Mơ hình smart home cơng ty IEI Integration……………………… 14 Hình 1.4 Mơ hình smart home Eco Future World………………………… 14 Hình 1.5 Mơ hình smart home cơng ty BKAV……………………………… 15 Hình 1.6 Mơ hình smart home cơng ty Lumi………………………………… 15 Hình 1.7 Xu hướng phát triển smarthome…………………………………… 17 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống điện tử…………………………… 20 Hình 2.2 Sơ đồ mạch điện hệ thống……………………………………………… 21 Hình 2.3 Arduino Uno R3………………………………………………… 22 Hình 2.4 Cấu trúc phần cứng Arduino Uno…………………………………… 24 Hình 2.5 Arduino Ethernet W5100……………………………………………… 26 Hình 2.6 Kết nối chân điều khiển cho board mạch Arduino Ethernet W5100…… 28 Hình 2.7 Arduino Mega 2560…………………………………………………… 29 Hình 3.1 Sơ đồ chân cảm biến LM35…………………………………………… 33 Hình 3.2 Module cảm biến khí gas MQ2………………………………………… 35 Hình 3.3 Cấu tạo module cảm biến khí gas MQ2………………………………… 36 Hình 3.4 Module cảm biến chuyển động HC-SR510…………………………… 38 Hình 3.5 Sơ đồ chân cảm biến chuyển động HC-SR510………………………… 38 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 3.6 Nguyên tắc hoạt động cảm biến chuyển động……………… 39 Hình 3.7 Lưu đồ thuật tốn hệ thống giám sát………………………………… 40 Hình 3.8 Sơ đồ nối cảm biến nhiệt độ LM35……………………………………… 41 Hình 3.9 Sơ đồ nối cảm biến khí gas MQ2……………………………………… 44 Hình 3.10 Sơ đồ nối cảm biến chuyển động HC-SR510………………………… 46 Hình 4.1 Mạng internet kết nối tồn cầu………………………………………… 50 Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống giám sát điều khiển…………………………… 52 Hình 5.1 Mơ hình nhà thơng minh dạng 3D……………………………………… 54 Hình 5.2 Mơ hình nhà thơng minh thực tế………………………………… 55 Hình 5.3 Giao diện giám sát điều khiển……………………………………… 55 Hình 5.4 Báo xâm nhập trái phép giao diện web…………………………… 56 Hình 5.5 Hiển thị nhiệt độ phịng khách phịng ngủ giao diện 57 web………………………………………………………………………………… Hình 5.6 Nhiệt độ hiển thị phịng khách…………………………………… 57 LỜI NĨI ĐẦU Xã hội kỷ 21 chứng kiến phát triển vượt bậc công nghệ đánh dấu mở đầu thiết bị thông minh Smart phone, Smart Tivi thiết bị ngày phổ biến, thông dụng đời sống ngày người Đúng tên gọi, thiết bị có khả đáp ứng yêu cầu người, mà thế, thiết bị smart đời thay người việc kiểm soát điều khiển chức khác cách chuyên nghiệp, dễ dàng hiệu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tiếp nối thành công thiết bị thông minh ấy, Smart home đời khởi đầu táo bạo tư làm chủ công nghệ sống người Một nhà thông minh với khả thấu hiểu tư điều khiển người nhanh chóng trở thành đề tài cơng nghệ có sức hấp dẫn Nhà thông minh hay smart home, home automation kiểu nhà lắp đặt thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hóa hồn tồn bán tự động, thay người thực thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử giáo tiếp với chủ nhân nhà thông qua bẳng điện tử đặt sẵn nhà, phần mềm điện thoại di động, máy tính bảng giao diện web Lúc đầu, ý tưởng thực nhờ vào tia hồng ngoại để điều khiển từ xa, khoảng cách hạn chế Về sau, nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện khoảng cách điều khiển mang lại nhiều thành cơng có ý nghĩa thực tiễn điều khiển thông qua đường dây điện thoại, nhiên chưa phải biện pháp tối ưu Khi công nghệ wireless phát triển, người ta lại nghĩ đến điều khiển qua mạng không dây, điều khiển từ xa dùng máy tính đời Khơng dừng lại đó, điện thoại trở thành vật dùng thiếu với cá nhân, người ta lại nghĩ điện thoại tích hợp khả điều khiển từ xa Đặc biệt, với phát triển chóng mặt SmartPhone cơng nghệ 3G nay, việc tích hợp chức vào SmartPhone trở thành giải pháp tối ưu mang lại nhiều ưu điểm Đi xu hướng đó, viết giới thiệu giải phát điều khiển giám sát nhà cách thơng minh thơng qua internet sử dụng điện thoại để giám sát thiết bị, báo cháy, báo trộm Giải pháp đưa khả với chế hoạt động xác mang tính ổn định để tạo bước phát triển thiết bị nhỏ gọn tham gia mảng nhà thông minh giá rẻ Đề tài sản phẩm có tính thực tế cao dựa nhu cầu công nghệ nay, nghiên cứu, chế tạo dựa kiến thức chúng em học, kế thừa phát huy kết cơng trình nghiên cứu trước 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP void loop() { //Serial.println(nhiet_do); // Nhan du lieu tu Webserver if (Serial.available()) { while (Serial.available() < 2); byte b1 = Serial.read(); byte b2 = Serial.read(); data_receive = b1 * 256 + b2; switch (data_receive) { case 0: // tat den digitalWrite(led_bep, 1); state_led = 0; break; case 1: // bat den digitalWrite(led_bep, 0); state_led = 1; break; case 2: // tat quat digitalWrite(fan, 1); // kich relay muc cao la TAT state_fan = 0; break; case 3: // bat quat digitalWrite(fan, 0); // kich relay muc thao la BAT state_fan = 1; break; 61 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP } } // bat den if (digitalRead(button_led) == 0) // nut bat/tat den { while (digitalRead(button_led) == 0); state_led = !state_led; if (state_led == 1) { digitalWrite(led_bep, 0); data_send = 1; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } else { digitalWrite(led_bep, 1); data_send = 0; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } } // bat quat thong gio if (digitalRead(button_fan) == 0) { while (digitalRead(button_fan) == 0); state_fan = !state_fan; if (state_fan == 1) { digitalWrite(fan, 0); 62 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP data_send = 3; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } else { digitalWrite(fan, 1); data_send = 2; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } } //canh bao co gas nhiet_do = 5.0 * 100.0 * analogRead(CBND) / 1024.0; gas = 5.0 * 100.0 * analogRead(CBGAS) / 1024.0; //Serial.println(gas); // Serial.print("T= "); // Serial.println(nhiet_do); if (((gas > 50) || (nhiet_do > 60))) { if (state_fan == 0) { // neu quat dang tat thi bat, dang bat thi thoi digitalWrite(fan, 0); data_send = 3; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } digitalWrite(buzz, HIGH); } 63 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP else { digitalWrite(buzz, LOW); } if (gas > 50) { data_send = 5; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } else { data_send = 4; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } Phòng ngủ(cảm biến nhiệt độ hiển thị lên lcd) #include #include #include #include #define den_hien #define relay_denpn // den phong ngu//******** #define CBAS A0 #define CBND A1 #define pinServo #define step_pin #define step_enable 64 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP #define step_dir #define button_denpn #define button_dieuhoapn #define button_rem 10 int step_time, pos = 179, i = 0; int nhiet_do, v1; int data_send = 0, data_receive = 0; boolean state_denpn = 0, state_dieuhoapn = 0, state_rem = 0; LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F, 16, 2); Servo rem ; void setup() { TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; // ghi de cau hinh ti le chia cua Timer TIMSK1 = ; // ghi quy dinh hinh thuc ngat Serial.begin(9600); Serial.flush(); lcd.init(); lcd.backlight(); pinMode(den_hien, OUTPUT); pinMode(relay_denpn, OUTPUT); pinMode(step_pin, OUTPUT); pinMode(step_enable, OUTPUT); pinMode(step_dir, OUTPUT); 65 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP pinMode(button_denpn, INPUT_PULLUP); pinMode(button_dieuhoapn, INPUT_PULLUP); pinMode(button_rem, INPUT_PULLUP); pinMode(CBAS, INPUT); digitalWrite(relay_denpn, 1); // ban dau tat den digitalWrite(den_hien, 1); delay(500); digitalWrite(relay_denpn, 0); // ban dau tat den digitalWrite(den_hien, 0); digitalWrite(step_enable, 1); // enable la BAT o muc thap > ban dau dieu hoa tay lcd.print("Dang khoi dong "); rem.attach(pinServo); for (pos = 0; pos < 179; pos++) { rem.write(pos); delay(20); } delay(500); } void loop() { //Serial.println(step_time); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(button_denpn), DEN_VA_DIEUHOA, FALLING); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(button_dieuhoapn), DEN_VA_DIEUHOA, FALLING); 66 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP if (Serial.available()) { while (Serial.available() < 2); int b1 = Serial.read(); int b2 = Serial.read(); data_receive = b1 * 256 + b2; switch (data_receive) { case 0: // Tat den digitalWrite(relay_denpn, 0); state_denpn = 0; break; case 1:// Bat den digitalWrite(relay_denpn, 1); state_denpn = 1; break; case 2: // Tat dieu hoa digitalWrite(step_enable, 1); state_dieuhoapn = 0; break; case 3: //Bat dieu hoa digitalWrite(step_enable, 0); // Chân Enable kích mức thấp state_dieuhoapn = 1; break; case 4: // Kéo rèm tắt chế độ tự động while (pos != 0) { pos ; rem.write(pos); 67 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP delay(20); } state_rem = 0; //rèm đóng tắt chế độ tự động break; case 5: //Bật chế độ tự động điều chỉnh rèm state_rem = 1; } } if (state_dieuhoapn == 1) DIEU_HOA(); if (i == 2000) LCD_PHONG_NGU(); if (state_rem == 1) REM(); // che tu dong thay doi độ mở rèm theo ánh sáng trời if (digitalRead(button_rem) == 0) { while (digitalRead(button_rem) == 0); state_rem = !state_rem; if (state_rem == 0) { while (pos != 179) { // dong rem pos++; rem.write(pos); delay(20); } data_send = 4; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } else { data_send = 5; 68 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } } DEN_NGOAI_HIEN(); i++; //Serial.println(analogRead(CBAS)); //Serial.println(state_rem); } void DEN_NGOAI_HIEN() { //Serial.println(analogRead(CBAS)); if (analogRead(CBAS) 80) { pos ; rem.write(pos); delay(20); } } else { while (pos < 80) { pos++; rem.write(pos); delay(20); } } } if (analogRead(CBAS) > 500) { // troi toi while (pos != 160) { pos++; rem.write(pos); 70 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP delay(20); } } void DEN_VA_DIEUHOA() { // BAT/TAT den if ( (digitalRead(button_denpn) == 0) ) { while (digitalRead(button_denpn) == 0); state_denpn = !state_denpn; if (state_denpn == 1) { digitalWrite(relay_denpn, 1); // bat len data_send = 1; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } else { digitalWrite(relay_denpn, 0); // tat di data_send = 0; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } return; } // BAT/TAT dieu hoa if (digitalRead(button_dieuhoapn) == 0) { while (digitalRead(button_dieuhoapn) == 0); 71 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP state_dieuhoapn = !state_dieuhoapn; if (state_dieuhoapn == 1) { digitalWrite(step_enable, 0); // Bat len data_send = 3; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } else { digitalWrite(step_enable, 1); // tat di data_send = 2; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); step_time = 0; } } } void LCD_PHONG_NGU() { i = 0; nhiet_do = 5.0 * (analogRead(CBND)) * 100.0 / 1024.0 + 1.0; lcd.clear(); lcd.print("Nhiet do: "); lcd.print(nhiet_do); lcd.print("*C"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("v = "); // Lệnh in hình lcd.print(v1); lcd.println("rpm "); 72 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP //TINH_VAN_TOC(); } void TINH_VAN_TOC() { double v; //int v1; v = 60000 / (9.6 * (step_time)) ; // động 96 bước/vòng v1 = int(55 * v); // lcd.setCursor(0,1); // lcd.print("v = "); // Lệnh in hình // lcd.print(v1); // lcd.println("rpm "); //Serial.println(v1); return; } void DIEU_HOA() { if (nhiet_do < 30) { step_time = 950; TURN(step_time); return; } if ( (nhiet_do > 30) && (nhiet_do 40) { 73 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP step_time = 500; TURN(step_time); return; } } void TURN(int t) { digitalWrite(step_pin, 1); delayMicroseconds(t); digitalWrite(step_pin, 0); delayMicroseconds(t); } ISR(TIMER1_OVF_vect) { // Ngắt timer TINH_VAN_TOC(); TCNT1 = 53035; } 74 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tài liệu tham khảo [1] Ngơ Diên Tập, Lập trình C cho vi điều khiển NXB KHKT, 2003 [2] Báo Dân trí, Khoa học cơng nghệ [3] Chu Văn Hồnh, Giáo trính Thiết kế Web NXB GDVN, 2005 [4] Hình ảnh phần 1,2,3,4 nguồn google hình ảnh [5] Arduino.vn [6] http://hocwebchuan.com/ [7] https://startingelectronics.org/ [8] http://vi.Wikipedia.org/ [9] Htt://google.com.vn/ 75 ... CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 12 Tổng quan nhà thông minh 12 1.1 Bối cảnh nhu cầu sử dụng nhà thông minh .12 1.2 Các mơ hình nhà thơng minh áp dụng 13 Lựa chọn hướng thiết... tháng năm 2017 Sinh viên thực CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH Tổng quan nhà thông minh 1.1 Bối cảnh nhu cầu sử dụng nhà thông minh Ngày nay, đời sống ngày nâng cao, nhu cầu người đòi hỏi... khiển ngơi nhà Hình 1.1 Mơ hình tổng qt nhà thơng minh 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.2 Các mơ hình nhà thông minh áp dụng 1.2.1 Các giải pháp nhà thơng minh giới Hình 1.2: Mơ hình Smart home cơng ty Compro